ВЛИЯНИЕ НАКОПЛЕНИЯ ИОНОВ СВИНЦА НА РЕПРОДУКЦИЮ РАСТЕНИЙ НА ПРИМЕРЕ ПОДСОЛНЕЧНИКА МАСЛИЧНОГО (HELIANTHUS ANNUS L.)

Пестова Н. Ю.¹, Опарина С. Н.²

¹ORCID: 0000-0003-1847-2519, Кандидат химических наук, доцент, ²Кандидат биологических наук, доцент, Ульяновский государственный педагогический  университет

ВЛИЯНИЕ НАКОПЛЕНИЯ ИОНОВ СВИНЦА НА РЕПРОДУКЦИЮ РАСТЕНИЙ НА ПРИМЕРЕ ПОДСОЛНЕЧНИКА МАСЛИЧНОГО (HELIANTHUS ANNUS L.)

Аннотация

В статье рассмотрен вопрос аккумуляции тяжёлых металлов, в частности свинца, в вегетативных и генеративных органах растений. Всесторонне изучена зависимость между степенью загрязнения почвы тяжелыми металлами и интенсивностью их поступления в растения на основе содержания ионов свинца на контрольных участках и вдоль автомагистралей в различные временные промежутки.  Определены особенности и влияние накопления ионов свинца на репродуктивные функции подсолнечника масличного (Heliánthus ánnuus), определён фактор внешнего антропогенного воздействия и избирательной биоаккумуляции у растений сельскохозяйственного назначения.

Ключевые слова: аккумуляция, тяжёлые металлы, мониторинг, репродукция, природопользование.

Pestova N. Y. ¹, Oparina S. N. ² 

¹ORCID: 0000-0003-1847-2519, PhD in Chemistry, Associate professor, ²PhD in Biology, Associate professor, Ulyanovsk State Pedagogical University

THE INFLUENCE OF ACCUMULATION OF LEAD IONS ON THE REPRODUCTION OF PLANTS ON THE EXAMPLE OF OILSEED SUNFLOWER (HELIANTHUS ANNUS L.)

Abstract

The article considers the issue of accumulation of heavy metals, particularly lead, in the vegetative and generative organs of plants. Comprehensively studied the dependence between the degree of soil contamination with heavy metals and the intensity of their receipt in plants based on the content of lead ions in test areas and along highways in different time intervals. The features and the influence of accumulation of ions of lead on reproductive function in sunflower (Heliánthus ánnuus) determined that the factor of external human influence and selective bioaccumulation in plants for agricultural purposes.

Keywords: accumulation, heavy metals, monitoring, reproduction, management of natural resources.

Термин «тяжелые металлы» чаще всего рассматривается не с химической, а с медицинской и природоохранной точек зрения и, таким образом, при включении в эту категорию учитываются не только химические и физические свойства элемента, но и его биологическая активность и токсичность, а также объем использования в хозяйственной деятельности. Немаловажную  роль  в  категорировании  тяжелых металлов  играет  их способность  к биоаккумуляции и биомагнификации [1]. Накопление тяжелых металлов  в  вегетативных органах,  и в органах запаса ассимилятов влияет на течение метаболических процессов.

В связи с вышеизложенным, основной  целью настоящей работы являлось изучение влияния накопления свинца на репродуктивные способности растений на примере Подсолнечника масличного (Heliánthus ánnuus).

Растительный материал подсолнечник масличный (Helianthus annuus) был собран в Цильнинском районе Ульяновской области. Было заложено две площадки равные по площади 10×10 (м). Площадка №1 – «Дорога»  располагалась около автомобильной трассы, площадка №2  – «Контроль» находилась в центре поля, вдали от автомагистрали. Сбор растительного материала производился три раза в зависимости от фазы роста растений в солнечную сухую погоду.

Первый сбор Подсолнечника масличного  (Helianthus annuus)  производился в фазу всходов. Растения  находились в фазе активного роста,  имели от 4-5 до 9-10 пар настоящих листьев. Наблюдалось появление корзинки диаметром 2 см.

Второй сбор растительного материала производился в период цветения. Появляются тычинки и пестики трубчатых цветков. Пыльники выходят из венчиков. Продолжается рост листьев верхнего яруса. Лузга семян белого цвета, мягкая. Семена приобретают присущий сорту или гибриду цвет Тыльная сторона корзинки становится желтой. Влажность семян 36-40%.

Третий сбор растительного материала производился в фазу полного созревания (хозяйственная спелость). Корзинки желто-бурые,  влажность семян снижается до 18-12%.

Собранный растительный материал и почва с заложенных площадок прошли необходимую предварительную   подготовку для химического  анализа. Определание ионов  свинца Pb²⁺  в  почве и  в растительном  материале осуществлялось с помощью потенциометрического  метода на приборе И-160М - иономер универсальный с использованием Pb²⁺ селективного электрода.

Внешнее состояние вегетативных органов подсолнечника масличного,  а именно листьев, размеры листовой пластинки были средних размеров, повреждений на листьях и стеблях замечено не было. Абсолютно контрастная ситуация сложилась на ботанической площадке, заложенной около дороги. Можно отметить, что листья растений на ботанической площадке «дорога» выглядят угнетенными, нижние  листья скрученные, высохшие. Вследствие  высокого содержания ионов Pb²⁺ в почвенном образце, содержание данных ионов в растительных образцах  в вегетативных частях растений тоже превышают норму ПДК. Результаты исследований представлены в таблице 1.

В период цветения подсолнечника функции растения изменяются. Главной задачей растения становится завязывание цветков и далее формирование семян. Защитные механизмы не дают возможности проникнуть ионам Pb²⁺ в генеративные органы и помешать процессу оплодотворения. Все выше сказанное отражается в результатах анализа, содержание свинца понижается в исследуемых образцах практически в 3 раза. Несмотря на высокое содержание ионов свинца в почве, содержание свинца в растении остается  низким.

Таблица 1 - Содержание  ионов свинца  в  почве, вегетативных и генеративных частях подсолнечника масличного  (H. ánnuus)   в разные периоды его роста*

Временной интервал	Анализируемый объект	Участок «Контроль»	Участок «Дорога»
		СPb2+ , мг/кг	СPb2+ , мг/кг
Побеги	Лист	17,9	43,4
	Почва	32,0	162,6
Соцветия	Корзинки	5,4	18,6
	Почва	32,0	194,7
Плоды	Семена	18,6	22,2
	Почва	42,7	202,6

*ПДК Pb²⁺ = 30 мг/кг  

В ходе исследований было установлено, что содержание ионов Pb²⁺ в генеративных частях подсолнечника масличного, а именно в плодах на ботанической площадке «контроль», составляет 18,6 кг/ мг, что не превышает нормы ПДК. Содержание свинца в плодах на ботанической площадке заложенной около проезжей части по сравнению с содержанием в соцветиях увеличилось, но не превышает предельно допустимых концентраций по свинцу. Данное явление объясняется тем, что в период плодоношения растение начинает отдавать все свои питательные вещества на формирование плодов, несмотря на высокое содержание ионов свинца в почве.

Химический состав растений, как известно, отражает элементный состав почв. Однако способность почв связывать и инактивировать тяжелые металлы имеет свои пределы, и когда они уже не справляются с поступающим потоком металлов, важное значение приобретает наличие у самих растений физиолого-биохимических механизмов, препятствующих их поступлению [3]. При сильном загрязнении среды обитания поток тяжелых металлов  становится столь большим, что может наблюдаться повышенное содержание их не только в вегетативных органах, но и в органах запаса ассимилятов. Растения выглядят угнетенными (хлорозы, некрозы), снижается их продуктивность. Это указывает на нарушение течения метаболических процессов [4].

Растения поглощают ионы свинца из почвы, но защитные механизмы  и репродуктивная стратегия не дают проникнуть смертельным  дозам свинца  для растения, чтобы не нарушить процесс оплодотворения.

Было установлено,  что в генеративных органах растения количество аккумулированного свинца уменьшилось более чем в 2 раза, что свидетельствует о защитной функции растений. В семенах содержание тяжелых металлов по сравнению с соцветиями возросло (табл. 1, рис. 1). Высокая по сравнению  с контрольным участком концентрация ионов Pb²⁺ в соцветиях опытной площадки вызывает  проявляющиеся морфологические признаки свинцового отравления оберток корзинок, в то время как концентрация свинца на участке «Контроль» (5,4 мг/кг) таких морфологических изменений не вызывает.

Рис. 1 - Содержание  ионов свинца  в  почве, вегетативных и генеративных частях подсолнечника масличного  (H. ánnuus)   в разные периоды его роста

Биометрические показатели цветков Подсолнечника масличного  Heliánthus  ánnuus  L. (Asteraceae) с  двух участков отражены в таблице 2.

Таблица 2 - Биометрические показатели семенной продуктивности подсолнечника масличного  (H. ánnuus)*

Показатели/Опытные участки	ПСП (шт.)	РСП (шт.)	Ксп (%)
Контроль	1100	975	78
Дорога	927	677	46,6

*ПСП - потенциальная семенная продуктивность РСП - реальная семенная продуктивность К_сп - коэффициент семенной продуктивности  

Реальная семенная продуктивность на контрольном участке составила 78%, на участке около автомагистрали 46,6%, что в 2 раза меньше по сравнению с контролем. Исходя из данных показателей, очевидно, что накопленные в период вегетации ионы свинца  негативно влияют на репродуктивные способности растения подсолнечника масличного, вызывая пустозерность и ухудшение биометрических показателей семян.

Литература

1. Юранева И. Механизмы поступления, распределения и детоксикации тяжелых металлов у растений // Физиология растений. – 2003. - 133 с.
2. Игнатов А.Н. Тяжелые металлы. Источники поступления в окружающую среду. Действие на организм человека. [Электронный ресурс] URL: http://www.f- mx.ru/bezopasnost_ zhiznedeyatelnosti/tyazhyol уе _ metallya _ istochniki .html.
3. Соколов О.А., Черников В.А. Экологическая безопасность и устойчивое развитие. Книга 1. // Атлас распределения тяжелых металлов в объектах окружающей среды. - Пущино, ОНТИ пнп РАН, 1999. – 164 с.
4. Прохорова Н.В., Матвеев Н.М., Павловский В.А. Аккумуляция тяжелых металлов дикорастущими и культурными растениями в лесостепи и степи Поволжья. - Самара: Изд-во «Самарский университет», 1998. - 431с.

References

1.   Urania I., Khramova E. Mechanisms of income distribution and detoxification of heavy metals in plants // plant Physiology. – 2003. - 133 S.
2. Ignatov A. N. Heavy metals. Sources in the environment. The effect on the human body. [Electronic resource] URL: http://www.f - mx.ru/bezopasnost_ zhiznedeyatelnosti/tyazhyol UE _ metallya _ istochniki .html.
3. Sokolov O. A., Chernikov V. A. Environmental security and sustainable development. Book 1. // The Atlas of distribution of heavy metals in environmental objects. - Pushchino, ONTI PNP Academy of Sciences, 1999. – 164 p.
4. Prokhorova N. In. Matveev N. M. Pavlovsky V. A. Accumulation of heavy metals by wild and cultivated plants in forest-steppe and steppe of the Volga region. - Samara: Publishing house "Samara University", 1998. - 431с.